新工科背景下案例式教學(xué)在《化工過程模擬實(shí)驗(yàn)》中的應(yīng)用—以制藥廢液中四氫呋喃的回收為例

王克良，李 靜，李 琳，繆應(yīng)菊，葉 昆

(1.六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,河北 任丘 062552)

新工科是近年來基于國家的發(fā)展戰(zhàn)略提出的，目的是在傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式上進(jìn)行改造升級(jí)，結(jié)合行業(yè)以及地方產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，培養(yǎng)一批工程應(yīng)用型人才。目前國內(nèi)高校也逐漸將新工科的教育理念融入到了工科專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中去[1-2]。這就對(duì)工科專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為目標(biāo)[3-4]。因此，化工過程模擬與設(shè)計(jì)類課程就顯得尤為重要。該課程要求學(xué)生通過掌握化工過程模擬軟件，去解決一些復(fù)雜的工程問題，這顯然是與新工科的教育理念和要求相契合的[5-6]。

采用案例式教學(xué)方法，最早是哈佛大學(xué)提出的，當(dāng)時(shí)所選擇的案例全部是真實(shí)的商業(yè)管理案例[7]。隨著我國高等教育對(duì)工科人才培養(yǎng)的要求逐漸提升，越來越多的高校也開始采用案例式教學(xué)[8]。選擇合適的、能夠結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的工業(yè)生產(chǎn)案例，將其引入到教學(xué)中，學(xué)生可以通過案例的訓(xùn)練，將專業(yè)課知識(shí)與化工單元操作相結(jié)合，進(jìn)一步提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

選擇合適的、能夠結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的工業(yè)生產(chǎn)案例，將其引入到課程教學(xué)中，一方面可以有效豐富課程內(nèi)容體系，將其與行業(yè)生產(chǎn)無縫對(duì)接，另一方面也可以讓學(xué)生更加了解本行業(yè)對(duì)專業(yè)人才的具體要求。

本文以制藥廢液中四氫呋喃(THF)的回收為例，介紹了案例式教學(xué)在化工過程模擬實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐。該案例結(jié)合了六盤水地區(qū)高海拔、低氣壓的特色，能夠極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性。

1 制藥廢液中THF的回收案例

四氫呋喃(THF)作為一種有機(jī)溶劑，廣泛應(yīng)用于制藥行業(yè)中[9]。THF吸水性很強(qiáng)，且與水能夠形成共沸物，普通分離回收無法得到高純度的THF[10]。因此高效回收制藥廢液中的THF就具有重要的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)意義。

某案例：某制藥廠排放的廢液中含有THF—水混合物，經(jīng)過初步分離后，該混合物流率為3000 kg/h，四氫呋喃為0.4(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，水為0.6。要求最終回收得到質(zhì)量純度大于99.9%的四氫呋喃。

2 教學(xué)過程分析與討論

2.1 THF-水二元物系的分離方案

圖1 變壓精餾乙四氫呋喃-水工藝流程圖

首先，教師向?qū)W生講解變壓精餾的基本原理，依據(jù)共沸物對(duì)不同壓力的具有不同的敏感程度，因此在不同的壓力下，共沸組成會(huì)發(fā)生較大的變化，從而達(dá)到分離的目的。

變壓精餾有低壓塔(LPC)和高壓塔(HPC)兩個(gè)設(shè)備，要分離共沸物則需要保證兩個(gè)壓力下的共沸組成變化超過5%。六盤水地區(qū)屬于亞高原，氣壓較之平原要低，因此低壓塔壓力設(shè)置為該地區(qū)大氣壓0.85 atm，高壓塔壓力設(shè)置為5 atm。四氫呋喃-水混合物由低壓塔進(jìn)入，精餾分離后，兩個(gè)塔的塔釜分別為水和四氫呋喃。

2.2 THF-水的分離過程優(yōu)化

在固定低壓塔和高壓塔的操作壓力為0.85～5 atm時(shí)，利用靈敏度分析，依次對(duì)低壓塔、高壓塔進(jìn)料位置、回流比、塔板數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)TAC最小原則，選擇出最優(yōu)的參數(shù)。

優(yōu)化過程為：

設(shè)置雙塔的操作壓力分別為0.85 atm和5 atm；

給定HPC塔板數(shù)NT2、初始的LPC塔板數(shù)NT1，使其滿足設(shè)計(jì)規(guī)定；

給出LPC和HPC的回流比RR1與RR2、LPC原料進(jìn)料塔板NF1、循環(huán)物料進(jìn)料塔板NREC、HPC進(jìn)料塔板NF2，分別調(diào)整D1、B1來滿足低壓塔與高壓塔的要求；

改變RR1、RR2、NF1、NF2和NREC使TAC最?。?/p>

固定NT2，使TAC最小，得到最佳參數(shù)；

固定上步的最優(yōu)解，改變NT2，得到最優(yōu)的NT2；

得到所有最佳參數(shù)，結(jié)束。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

整個(gè)優(yōu)化過程以年度總費(fèi)用TAC[11-12]為目標(biāo)函數(shù)，該費(fèi)用綜合考慮了能耗費(fèi)用和設(shè)備投資。

2.3.1 最佳進(jìn)料位置

對(duì)三個(gè)進(jìn)料位置進(jìn)行了優(yōu)化，見圖2。三個(gè)進(jìn)料位置對(duì)TAC的影響均是一條有最小值的折線圖，其中原料進(jìn)料塔板為第15塊、循環(huán)物料進(jìn)料塔板為第14塊和高壓塔進(jìn)料塔板為第9塊時(shí)，分別對(duì)應(yīng)的TAC為最小。

圖2 進(jìn)料位置對(duì)TAC的影響

2.3.2 回流比優(yōu)化結(jié)果

圖3是回流比的優(yōu)化結(jié)果。其中(a)和(b)分別為兩塔回流比對(duì)TAC的作用規(guī)律，從圖中可以看出低壓塔和高壓塔的最佳回流比分別為0.3和0.4。

圖3 回流比對(duì)TAC的影響

2.3.3 塔板數(shù)優(yōu)化結(jié)果

塔板數(shù)的優(yōu)化結(jié)果見圖4。其中(a)和(b)分別為兩塔塔板數(shù)對(duì)TAC的影響，從圖中可以看出低壓塔的最佳塔板數(shù)為17塊，高壓塔的最佳塔板數(shù)為15塊。

圖4 塔板數(shù)對(duì)TAC的影響

2.3.4 工藝流程

經(jīng)過迭代優(yōu)化后，得到最終的工藝參數(shù)列于圖5中，可以讀出各個(gè)相應(yīng)的參數(shù)，如熱負(fù)荷、進(jìn)出料的條件以及各物流組成、流率等。最終從制藥廢液中回收得到的THF產(chǎn)品純度為0.999。

圖5 最終優(yōu)化工藝流程圖

3 結(jié)論

在新工科背景下，以回收制藥廢液中的四氫呋喃為例，將案例式教學(xué)引入《化工過程模擬實(shí)驗(yàn)》課程中。通過該案例的訓(xùn)練，學(xué)生能夠?qū)⒐I(yè)案例與前期學(xué)過的《化工熱力學(xué)》、《化工原理》、《物理化學(xué)》等知識(shí)融會(huì)貫通，學(xué)以致用，通過各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化，能夠更好的理解工業(yè)生產(chǎn)和課堂實(shí)驗(yàn)的異同。對(duì)于學(xué)生們能夠解決工程問題，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力起到了良好的促進(jìn)作用。